摘 要

目前国内出现各种类型的3D打印机，但这些打印机大都属于桌面级范畴，打印物件多为小尺寸的塑料制品，所以配套的切片软件也就不能满足大型金属构件的制造要求。因此，本课题将从底层算法开始研究，开发出一套专用于工业级大型金属构件打印的切片软件。

本文以Visual C 6.0为开发环境，应用了MFC单文档视图应用程序框架，并采用静态分割技术划分视图，同时通过 OpenGL 软件接口实现了三维模型的显示及动态仿真；随后从STL文件格式转换到模型的读取与显示，从模型的切片算法研究到层轮廓的填充算法研究等方面，每一步都给出了详尽的理论计算和部分实现代码的解读。然后在已实现的软件平台上进行实际操作,对切片等算法加以验证。

本课题所研究的切片软件，适用于大尺寸打印件，对推动3D打印技术在工业上的应用具有重要意义。

关键字：熔融层积；分层切片；路径扫描；STL；OpenGL

Abstract

At present, there are various types of 3D printers. But most of them are desktop printers and printing items for plastic products with small size. So the slice matched software also cannot meet the requirements of printing large-scale metal components. Therefore, this paper will begin with the underlying algorithm and develop a set of slicing software specially designed for printing large-scale metal components.

This paper puts forward the overall plan of the subject research: build an experimental platform by applying the MFC single document view application framework，and use static segmentation technology to divide the view. At the same time, use the OpenGL software interface to realize displaying 3D model and dynamic simulation. Then, this paper analyzes the underlying algorithm of software theoretically: from converting file format to displaying model, from slicing algorithm to scanning algorithm, this paper gives detailed theoretical calculation and interpretation of the implementation code for every part.

The slicing software studied in this paper is suitable for large-size prints, which is of great significance to promote the application of 3D printing technology in industry.

Key word: FDM; slice; Filling path; STL; OpenGL

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 3D打印技术简介 1

1.1.2 研究背景 1

1.1.3 研究目的及意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外3D打印技术研究现状 2

1.2.2 国内3D打印技术研究现状 3

1.3 课题的主要研究内容 3

2 课题研究总体方案及关键技术简介 4

2.1 课题研究总体方案 4

2.2 基于FDM技术的3D打印技术 5

2.3 软件的开发环境简介 6

2.4 OpenGL编程技术 6

2.5 本章小结 7

3 底层算法的研究与实现 8

3.1 基于MFC的软件界面设计 8

3.1.1 软件主界面介绍 8

3.1.2 功能子窗体介绍 8

3.2 模型文件的读取、转换与显示部分 10

3.2.1 STL文件读取 10

3.2.2 STL文件格式转换 12

3.2.3 基于OpenGL的三维模型显示 13

3.3 切片算法部分 16

3.3.1 分层算法分类 17

3.3.2自适应分层算法 17

3.3.3 获取截面轮廓 21

3.4 填充算法部分 24

3.4.1 往复直线扫描方式 24

3.4.2 轮廓偏置扫描方式 26

3.4.3 组合扫描方式 31

3.5 本章小结 32

4 软件运行与操作 33

4.1 读取与显示操作 33

4.2 模型的切片操作 35

4.3 本章小结 37

5 总结 38

5.1 总结 38

5.2 展望 38

参考文献 39

致谢 40

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 3D打印技术简介

所谓3D打印技术，它是以模型的三维数据为根本，在控制器的控制下，对3D模型进行切片、生成扫描路径等，然后按照生成路径填充层轮廓，逐层地叠加材料，最终成型的方式构造实体的技术^[1]。整个成型流程如图1.1所示。

图1.1 3D打印技术成型流程

首先由用户根据自己的创意，通过相关的三维建模软件，例如SolidWorks、3DsMax、UG、ProE、中望等等，建立自己脑中的三维模型，并反复修改找出设计的不合理之处；确保无误后，将三维模型以STL文件格式的形式导出；用户使用3D打印切片软件，例如Cura、HORI、Slic3r等，读取STL文件。用户根据实际需要给模型添加支撑、分层切片、规划扫描路径、最后生成G代码——打印机执行文件；打印机接受切片软件发过来的打印命令之后，打印机进行各项准备工作，比如喷头预热及零点矫正等；一切就绪以后，打印机开始按照切片软件规划好的路径进行往复加工打印，直到打印完成；最后，用户将模型从打印平台上取下，并根据加工要求，对模型进行去毛刺以及上色等处理^[2]。到这里，整个从创意到实物的制造过程就完成了。

由此可见，切片软件在整个过程中担任的角色有多重要。

1.1.2 研究背景

在制造业越来越低迷的当下，产品的创新和产品的研发周期已然成为了产品上市的重要矛盾。于是，人们提出了快速成型技术试图缩短研制周期，想以此来提高产品的竞争力。二十几年来，该项技术在国内得到了迅速的发展，涉及领域包括机械、汽车、电子、航空、医疗、教育等各个行业^[3]。快速成型的方法很多，典型的有：3DP技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术、UV紫外线成型技术以及FDM熔融层积成型技术等^[4]。其中FDM熔融层积成型技术由于其打印耗材种类繁多、精度高、成本低等优点运用的最为广泛，被人们广为熟知。因此又被人们称为3D打印技术（下文中统称FDM熔融层积成型技术为3D打印技术）。